Vers une mémoire supraconductrice à effet tunnel

Publié par Adrien le 15/05/2020 à 13:00
Source: CNRS INP
Des physiciennes et des physiciens ont mis en évidence le mécanisme à l'origine de l'électrorésistance géante dans des jonctions tunnel à base de supraconducteurs à haute température. Grâce à leur fonction mémoire, ces dispositifs ouvrent des nouvelles perspectives pour l'électronique supraconductrice.


Figure 1. Schéma de la jonction étudiée (à gauche) et image par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des...) électronique de l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) entre les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute...) la jonction. Le contact avec l'électrode supérieure de MoSi se fait par une ouverture micrométrique dans la surcouche isolante et photorésistante.

L'électrorésistance décrit une variation brutale de la conductivité d'une jonction à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la fonction d'onde d'une particule, dont le carré du module...) lorsqu'elle est soumise à une brève tension (La tension est une force d'extension.) électrique. Un peu comme si l'on actionnait un interrupteur (Un interrupteur (dérivé de rupture) est un dispositif ou organe, physique ou virtuel, permettant d'interrompre ou d'autoriser le passage d'un flux. Il ne faut pas confondre...) capable de laisser passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) plus ou moins de courant. Dans certain cas, l'état persiste après l'application de la tension, c'est l'effet mémoire (L'effet mémoire est un phénomène physico-chimique affectant les performances des accumulateurs électriques.). Ce type d'effet restait jusqu'ici limité aux jonctions tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux...) à barrière ferroélectrique.

En utilisant des jonctions à base d'oxydes supraconducteurs, les scientifiques ont eu la surprise de constater que l'on peut reproduire ce comportement avec des jonctions beaucoup plus simples, où l'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde...) et le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux...) sont directement en contact. Contrairement aux jonctions à barrière ferroélectrique, où l'électro-résistance résulte d'un phénomène électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.), elle est produite ici par un mécanisme purement électrochimique, notamment une réaction d'oxydoréduction à l'interface entre les deux matériaux.


Figure 2. Variation de la conductance tunnel (G) en fonction la tension appliquée (Vpol). Les deux niveaux de conductance sont séparés de plusieurs ordre de grandeur.

Les expériences menées démontrent aussi que, lorsque l'on refroidit le dispositif et que l'oxyde entre dans sa phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) supraconductrice, les effets de commutation deviennent jusqu'à 30 fois plus importants que dans la phase normale, ce qui était là encore inattendu. Ces travaux sont le résultat d'une collaboration entre l'Unité mixte de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) CNRS/Thales (UMPhy, CNRS/Thales/Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et...) Saclay), le Laboratoire de physique et d'étude des matériaux (LPEM, CNRS/Sorbonne Université/ESPCI Paris), le Laboratoire ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) et matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) d'Aquitaine (LOMA, CNRS/Université de Bordeaux) et l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) Complutense de Madrid (Madrid est la capitale de l'Espagne. Ville la plus vaste et la plus peuplée du pays, c'est le chef-lieu de la Communauté autonome de Madrid qui appartient à la province de Madrid. Elle abrite également le siège de l'OMT,...) (Espagne). Ils sont publiés dans la revue Nature Communications.

Les expériences ont été menées dans des jonctions (Figure 1) constitués d'un cuprate supraconducteur (électrode inférieure, YBCO) et un supraconducteur métallique conventionnel (électrode supérieure, MoSi). Les chercheurs ont comparé des jonctions dans lesquelles les électrodes étaient en contact direct avec des jonctions ayant une fine couche ferroélectrique entre elles (BFO). Le même comportement a été observé dans les deux cas, notamment la variation de la conductance tunnel entre deux valeurs extrêmes (ON/OFF) par l'application d'une tension Vpol (Figure 2). Les spectres de conductance tunnel ont permis de mettre en évidence une variation de la taille du gap supraconducteur lors du passage d'un état à l'autre, indiquant une variation du contenu en oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) dans le cuprate. Cette variation résulte des réactions d'oxydoréductions.

Au-delà de leur intérêt fondamental, ces résultats élargissent le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'application de l'électro-résistance tunnel, notamment en ouvrant la voie vers des mémoires Josephson - un graal dans le domaine de l'électronique supraconductrice.

Référence:

Quasiparticle tunnel electroresistance in superconducting junctions.
V. Rouco, R. El Hage, A. Sander, J. Grandal, K. Seurre, X. Palermo, J. Briatico, S. Collin, J. Trastoy, K. Bouzehouane, A. I. Buzdin, G. Singh, N. Bergeal, C. Feuillet-Palma, J. Lesueur, C. Leon (LEON est un processeur 32 bit RISC open source, compatible SPARC V8 (1987) développé par l'ingénieur suédois Jiri Gaisler pour l'ESA.), M. Varela, J. Santamaria et Javier E. Villegas.
Nature Communications, le 31 janvier 2020.

DOI: 10.1038/s41467-020-14379-w.
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